基于无人机摄影的河道流量计算分析

冯光亮

(新疆峻特设计工程有限公司 阿拉尔分公司,新疆 阿拉尔 843000)

0 引 言

河道流量的准确估算对于水资源管理、洪水预警和防洪减灾等领域具有重要意义[1]。传统的河道流量估算方法主要基于地面观测和数学模型,但这些方法存在着数据获取困难和模型不准确的问题。随着无人机技术的飞速发展,无人机航空摄影测量作为一种新的数据获取和测量手段,为河道流量估算提供了全新的途径。

无人机航空摄影测量技术具有高分辨率、灵活性和低成本等显著优势。通过搭载高分辨率相机进行航拍,可以获取河道及其周边地区的详细图像信息[2]。这些图像可通过影像处理和数字图像测量技术进行处理,从而提取出河道的几何参数,如水面宽度、水面高程和水面流速等关键参数[3-5]。

本研究旨在探索利用无人机航空摄影测量技术,结合河道流量估算方法,根据无人机测量获取河道几何参数,依据DOM与DSM影像处理的结果,确定据曼宁公式的参数,通过RA、RMSE和MPE评价无人机摄影的河道流量计算可靠度,实现对河道流量的准确估计。研究结果可为水资源管理、洪水预警和防洪减灾等领域提供参考。

1 研究对象及方法原理

1.1 研究对象

本文以新疆地区准格尔盆地东-西轴线上的五大内河流域为研究对象,截取卡赞营、博尔通古、安集海、大河沿子和二叉河等5个代表断面进行径流估算研究。其中,卡赞营断面居上游,离河源14km;博尔通古、安集海和大河沿子居中游,分别占河流总长的36%、51%和63%;二叉河居下游,离河源10km。

由于无法直接测量水下地形,本文根据规范采用“流速-面积法”计算断面,采用“一点法”获取平均流速。根据规范,计算得到卡赞营、博尔通古、安集海、大河沿子和二叉河的平均流速分别为1.3、1.27、1.1、1.24和0.7m/s,断面面积分别为19.99、28.37、96.69、15.33和10.75m2,实测流量分别为25.98、36.03、106.36、19.01和7.53m3/s。

1.2 曼宁公式

由曼宁公式可知,在无压力状态下的水流计算经验性公式为[6]:

v=CR1/2J1/2

(1)

式中:v为断面流速,m/s;C为谢才系数,m1/2/s;R为水力半径,m;J为水力梯度,Pa/m。

由于大多数河流为紊流,孙东坡和丁新求对曼宁公式的系数进行修正:

(2)

式中:A为面积,m2;n为糙率,无量纲。

由曼宁公式可知,流量计算所需参数分为实测参数与航测参数两类。其中,实测参数为A和R;航测参数为n和J。本文采用无人机获取的DOM影像计算J,通过对DSM影像与DOM影像的分析得到n,A和R通过实测的水下地形数据获取。

1.3 无人机性能参数及评价方法

本文采用型号为Phantom-4-pro的无人机,相机型号和影像传感器分别为FC300X和Sony Exmor R CMOS,相机像素为1 200万(4000×3000),最大光圈和焦距分别为f/2.8和20 mm。无人机在卡赞营、博尔通古、安集海、大河沿子和二叉河等断面的飞控参数为:飞行高度分别为100、70、90、90和70m;重叠率均为90%;飞行面积分别为196 035、56 207、226 547、192 850和165 346m2。

通过对5个不同高度下无人机的垂直与水平方向误差校核发现,其RMSE达到厘米级精度。本文采用的无人机测量精度是可靠的,可用于河道地形信息的获取。本文选取RA、RMSE和MPE评价无人机测量方法的合理性与可靠性,计算方法如下:

(3)

式中:Qe为估算的径流值,m3/s;Qm为实测值,m3/s;n为次数。

根据规范可知,RA不应超过20%;RA、RMSE与MPE代表该方法的可靠性。

2 计算结果

2.1 水力梯度和水力半径

水力梯度是指在水流中的液压坡度或压力变化率,为高程差与高程的比值,用于描述水流在垂直或水平方向上的压力差异,因此高程对水力梯度影响显著。由于水流从高压区域流向低压区域,因此水力梯度确定了水流的流向。本文研究5个河流断面的上下游高程。通过计算可知,卡赞营、博尔通古、安集海、大河沿子和二叉河等断面的水力梯度分别为0.014、0.013、0.007、0.007和0.003。由此可知,卡赞营断面和博尔通古断面的水力梯度最大,水流最急;二叉河断面的水力梯度最小,该地地势平缓,水流最慢。

水力半径是指流体在通道或管道中流动时的有效半径,用于计算液体的流速和液体的流量,与断面形状有关。在水利工程、土木工程和流体力学等领域,水力半径是一个重要的参数,对于确定流体的速度分布、能量损失和流体运动的稳定性等方面具有重要意义。本文结合无人机测得的各断面形状见图1;水面线与曲线围成的形状为实际过水断面,将所围面积与湿周的比值作为水力半径,计算结果见表1。

表1 各断面水力半径

图1 各断面信息

2.2 糙率取值

糙率是指在流体通过管道、河流或渠道等通道时,通道内表面的粗糙程度或摩擦特性,用于描述通道内壁面与流体之间的摩擦阻力,影响流体的流速和流量。糙率对流体的流速和流量有显著影响,较高的糙率会增加通道内壁面与流体之间的摩擦阻力,导致流速降低和能量损失增加。另一方面,较低的糙率会减小摩擦阻力,使流速增加。本文在传统的经验取值基础上,考虑当地的地理环境、植被情况和畜牧业发展情况,对糙率的取值略大于经验值,上述各断面的糙率取值分别为0.09、0.11、0.16、0.08和0.07。

2.3 流量计算结果及精度分析

根据前文所述,确定曼宁公式中的水力梯度、水力半径和糙率参数的取值。通过计算可知,卡赞营、博尔通古、安集海、大河沿子和二叉河等断面采用无人机摄影用于河道流量计算的相对精度分别为10.58%、28.48%、1.43%、3.98%和9.21%,实测值与计算值之间的误差在20%以内即为可靠。因此,卡赞营、安集海、大河沿子和二叉河等断面的流量估算结果准确,合格率达到80%。由于博尔通断面地区河水浑浊,无人机难以准确捕捉信息,导致该地区的糙率取值偏低,进而导致了较高的误差。通过计算可知,RMSE为4.82m3/s,MPE为0.065,表明本文提出的采用无人机摄影计算河道流量的方法可靠。见表2。

表2 精度分析

2.4 影响因素

通过研究发现,影响无人机摄影计算河道流量精度的因素主要在于下垫面数据的获取和估算过程。研究区下垫面数据的获取是影响无人机航测数据精度的因素,主要涉及以下几个方面:①下垫面的准确高程信息对于无人机航测数据的精度至关重要。如果下垫面的高程数据不准确或不完整,无人机在飞行过程中无法准确测量地物的高度,进而影响地形重建、三维模型生成等应用的精度。②下垫面的形状数据包括地表的起伏、坡度等信息。这些数据对于无人机的航迹规划和飞行控制至关重要,下垫面的形状数据不准确或不完整,导致航测数据的精度下降。③下垫面的纹理信息对于无人机航测数据的图像匹配和特征提取非常重要。如果下垫面的纹理信息缺乏或质量不佳,无人机在飞行过程中可能无法准确捕捉地物的纹理信息,导致航测数据的精度受到影响。

2.5 实测数据的必要性和水下地形测量的解决方法

了解实测数据的必要性和水下地形测量的解决方法,对准确估算河道流量至关重要。通过使用实测数据,可以构建出包含河道几何特征的河道数字模型,同时运用流量计来得到水量和流速测量数据。常见的水下地形测量方法包括单线激光测距仪、声呐测量和多波束测量。这些技术都可以用来收集水下地形数据,可以构建3D数字模型。水下地形测量是河道流量估算的关键之一,必须使用现有的技术,如单线激光测距仪、多波束测量和多传感器系统。通过这些技术,可以创建准确的数字模型,在水动力学和水资源管理领域获得准确的流量表征和预测。

此外,还有一些需要注意的问题:①即使有了实测数据和水下地形测量,河道流量估算仍然存在误差。这是由于河道中的水流和水位高度等实际状况的影响。因此,在河道流量估算时,需要考虑误差的范围和精度。②收集实测数据和进行水下地形测量需要大量的时间和人力资源。因此,河道流量估算需要精心设计和详细计划,以确保资源和时间利用最大化,并在测量过程中获得最佳效果。③无人机技术的快速发展(如智能机器人和深度学习技术),为无人机航拍河道流量测量提供了更多的可能性。可以预见,未来随着技术的不断提升和使用方法的创新,无人机航拍测量河道流量,将成为一项更加高效、便捷、准确的方式。

3 结 论

本文将无人机摄影技术与经典曼宁公式相结合,对卡赞营、博尔通古、安集海、大河沿子和二叉河等断面的河道流量进行了测量对比。结论如下:

1)由于高程变化对水力梯度的影响显著,而无人机可准确捕捉河道断面的变化。因此,无人机摄影有利于确定经典曼宁公式中的水力梯度和水力半径参数的取值。

2)相比于经验法对糙率取值,无人机摄影能准确获取地形、植被、护坡和卵石等详细信息,可提高估算具体河流糙率取值的精度。

3)通过选取RA、RMSE和MPE作为评价无人机摄影用于河道流量计算的可靠度,结果显示,其平均误差为10.74%,RMSE达到厘米级精度,无人机摄影用于河道流量计算结果可靠。

4)准确获取下垫面数据和曼宁公式计算参数,对河道流量最终计算结果具有显著的影响。